Mevcut farklı lineer motorlara ve uygulamanız için en uygun tipin nasıl seçileceğine bir bakış.
Aşağıdaki makale, çalışma ilkeleri, sabit mıknatısların gelişim tarihi, lineer motorlar için tasarım yöntemleri ve her bir lineer motor tipini kullanan endüstriyel sektörler dahil olmak üzere mevcut farklı lineer motor tiplerine genel bir bakış niteliğindedir.
Lineer Motor Teknolojisi şunlar olabilir: Lineer Asenkron Motorlar (LIM) veya Sabit Mıknatıslı Lineer Senkron Motorlar (PMLSM).PMLSM, demir çekirdekli veya demirsiz olabilir.Tüm motorlar düz veya boru şeklinde konfigürasyonda mevcuttur.Hiwin, 20 yıldır lineer motor tasarımı ve üretiminde ön saflarda yer almaktadır.
Lineer Motorların Avantajları
Lineer motor, lineer hareket sağlamak için, yani belirli bir yükü belirtilen bir hızlanma, hız, hareket mesafesi ve doğrulukta hareket ettirmek için kullanılır.Lineer motor tahrikli dışındaki tüm hareket teknolojileri, dönme hareketini lineer harekete dönüştürmek için bir tür mekanik tahriktir.Bu tür hareket sistemleri vidalı miller, kayışlar veya kremayer ve pinyon ile tahrik edilir.Tüm bu sürücülerin hizmet ömrü büyük ölçüde dönme hareketini doğrusal harekete dönüştürmek için kullanılan mekanik bileşenlerin aşınmasına bağlıdır ve nispeten kısadır.
Lineer motorların ana avantajı, herhangi bir mekanik sistem olmadan lineer hareket sağlamasıdır, çünkü iletim ortamı havadır, bu nedenle lineer motorlar temelde sürtünmesiz tahriklerdir ve teorik olarak sınırsız hizmet ömrü sağlarlar.Doğrusal hareket üretmek için hiçbir mekanik parça kullanılmadığından, vidalı miller, kayışlar veya kremayer ve pinyon gibi diğer tahriklerin ciddi sınırlamalarla karşılaşacağı yerlerde çok yüksek ivmeler mümkündür.
Lineer Asenkron Motorlar
Şekil 1
Doğrusal endüksiyon motoru (LIM) ilk icat edildi (ABD patenti 782312 - 1905'te Alfred Zehden).Bir elektrikli çelik laminasyon istifinden ve üç fazlı bir voltajla beslenen çok sayıda bakır bobinden oluşan bir "birincil" ve genellikle bir çelik levha ve bir bakır veya alüminyum levhadan oluşan bir "ikincil"den oluşur.
Birincil bobinlere enerji verildiğinde, ikincil bobin mıknatıslanır ve ikincil iletkende bir girdap akımları alanı oluşur.Bu ikincil alan daha sonra kuvvet oluşturmak için birincil geri EMF ile etkileşime girecektir.Hareketin yönü Fleming'in sol el kuralına göre olacaktır, yani;hareket yönü, akım yönüne ve alan / akı yönüne dik olacaktır.
İncir. 2
Lineer endüksiyon motorları çok düşük maliyet avantajı sunar, çünkü sekonder herhangi bir kalıcı mıknatıs kullanmaz.NdFeB ve SmCo kalıcı mıknatıslar çok pahalıdır.Lineer endüksiyon motorları sekonder olarak çok yaygın malzemeler (çelik, alüminyum, bakır) kullanır ve bu tedarik riskini ortadan kaldırır.
Bununla birlikte, lineer endüksiyon motorlarını kullanmanın dezavantajı, bu tür motorlar için sürücülerin bulunmasıdır.Sabit mıknatıslı lineer motorlar için sürücü bulmak çok kolayken lineer asenkron motorlar için sürücü bulmak çok zordur.
Şek. 3
Sabit Mıknatıslı Lineer Senkron Motorlar
Sabit mıknatıslı lineer senkron motorlar (PMLSM), lineer endüksiyon motorları ile esas olarak aynı primere sahiptir (yani elektrikli çelik laminasyon yığını üzerine monte edilmiş ve üç fazlı bir voltajla çalıştırılan bir dizi bobin).İkincil farklıdır.
Bir çelik levha üzerine monte edilmiş bir alüminyum veya bakır levha yerine, ikincil bir çelik levha üzerine monte edilmiş kalıcı mıknatıslardan oluşur.Her mıknatısın mıknatıslanma yönü, Şekil 3'te gösterildiği gibi bir öncekine göre değişecektir.
Kalıcı mıknatıs kullanmanın bariz avantajı, ikincilde kalıcı bir alan yaratmaktır.Bir asenkron motorda kuvvetin birincil alan ile ikincil alanın etkileşimi tarafından üretildiğini gördük; bu yalnızca motor hava boşluğu yoluyla ikincilde bir girdap akımları alanı oluşturulduktan sonra kullanılabilir.Bu, "kayma" adı verilen bir gecikmeye ve sekonderin primere sağlanan primer voltajla senkronize olmayan bir hareketine neden olacaktır.
Bu nedenle asenkron lineer motorlara “asenkron” denir.Kalıcı mıknatıslı bir lineer motorda, ikincil hareket her zaman birincil voltajla senkronize olacaktır çünkü ikincil alan her zaman ve herhangi bir gecikme olmadan kullanılabilir.Bu nedenle kalıcı lineer motorlara “senkron” denir.
Bir PMLSM'de farklı kalıcı mıknatıs türleri kullanılabilir.Son 120 yılda her malzemenin oranı değişti.Bugün itibariyle, PMLSM'ler ya NdFeB mıknatıslar ya da SmCo mıknatıslar kullanıyor, ancak büyük çoğunluk NdFeB mıknatıslar kullanıyor.Şekil 4, Kalıcı mıknatıs gelişiminin geçmişini göstermektedir.
Şekil 4
Mıknatıs gücü, Megagauss-Oersteds'teki (MGOe) enerji ürünü ile karakterize edilir.Seksenlerin ortalarına kadar sadece Steel, Ferrite ve Alnico mevcuttu ve çok düşük enerjili ürünler sağlıyordu.SmCo mıknatısları, 1960'ların başında Karl Strnat ve Alden Ray'in çalışmalarına dayalı olarak geliştirildi ve daha sonra altmışlı yılların sonlarında ticarileştirildi.
Şekil 5
SmCo mıknatısların enerji ürünü başlangıçta Alnico mıknatısların enerji ürününün iki katından fazlaydı.1984 yılında General Motors ve Sumitomo bağımsız olarak Neodinyum, Demir ve Boron'un bir bileşimi olan NdFeB mıknatıslarını geliştirdiler.SmCo ve NdFeB mıknatıslarının bir karşılaştırması Şekil 5'te gösterilmektedir.
NdFeB mıknatıslar, SmCo mıknatıslardan çok daha yüksek kuvvet geliştirir ancak yüksek sıcaklıklara karşı çok daha hassastır.SmCo mıknatıslar ayrıca korozyona ve düşük sıcaklıklara karşı çok daha dirençlidir ancak daha pahalıdır.Çalışma sıcaklığı mıknatısın maksimum sıcaklığına ulaştığında, mıknatıs manyetikliği gidermeye başlar ve bu manyetikliği giderme geri döndürülemez.Mıknatısın mıknatıslanmayı kaybetmesi, motorun güç kaybetmesine ve teknik özellikleri karşılayamamasına neden olur.Mıknatıs zamanın %100'ünde maksimum sıcaklığın altında çalışırsa, gücü neredeyse süresiz olarak korunacaktır.
SmCo mıknatısların daha yüksek maliyeti nedeniyle, özellikle mevcut daha yüksek kuvvet göz önüne alındığında, NdFeB mıknatıslar çoğu motor için doğru seçimdir.Ancak çalışma sıcaklığının çok yüksek olabileceği bazı uygulamalarda maksimum çalışma sıcaklığından uzak durmak için SmCo mıknatısların kullanılması tercih edilir.
Lineer motorların tasarımı
Bir lineer motor genellikle Sonlu Elemanlar Elektromanyetik Simülasyon yoluyla tasarlanır.Laminasyon yığınını, bobinleri, mıknatısları ve mıknatısları destekleyen çelik levhayı temsil edecek bir 3B model oluşturulacaktır.Hava, hava boşluğunda olduğu kadar motorun çevresinde de modellenecektir.Ardından tüm bileşenler için malzeme özellikleri girilecektir: mıknatıslar, elektrikli çelik, çelik, bobinler ve hava.Daha sonra H veya P elemanları kullanılarak bir ağ oluşturulacak ve model çözülecektir.Ardından modeldeki her bir bobine akım uygulanır.
Şekil 6, tesla'daki akışın görüntülendiği bir simülasyonun çıktısını göstermektedir.Simülasyon için ilgilenilen ana çıktı değeri elbette Motor kuvvetidir ve mevcut olacaktır.Bobinlerin uç dönüşleri herhangi bir kuvvet üretmediğinden, laminasyonlar, mıknatıslar ve mıknatısları destekleyen çelik levha dahil olmak üzere motorun 2B modelini (DXF veya başka bir format) kullanarak bir 2B simülasyonu çalıştırmak da mümkündür.Böyle bir 2D simülasyonun çıktısı, 3D simülasyona çok yakın ve motor kuvveti değerlendirmek için yeterince doğru olacaktır.
Şekil 6
Bir lineer endüksiyon motoru, 3B veya 2B model aracılığıyla aynı şekilde modellenecektir ancak çözme, bir PMLSM'den daha karmaşık olacaktır.Bunun nedeni, PMLSM sekonderinin manyetik akısının, mıknatıs özelliklerine girdikten hemen sonra modellenecek olmasıdır, dolayısıyla motor kuvveti dahil tüm çıkış değerlerini elde etmek için yalnızca tek bir çözüm gerekli olacaktır.
Bununla birlikte, endüksiyon motorunun ikincil akısı geçici bir analiz gerektirecektir (belirli bir zaman aralığında birkaç çözme anlamına gelir), böylece LIM sekonderinin manyetik akısı oluşturulabilir ve ancak o zaman kuvvet elde edilebilir.Elektromanyetik Sonlu Eleman Simülasyonu için kullanılan yazılımın, bir geçici durum analizi yürütme yeteneğine sahip olması gerekecektir.
Lineer Motor Kademesi
Şekil 7
Hiwin Corporation, bileşen düzeyinde lineer motorlar sağlar.Bu durumda sadece lineer motor ve ikincil modüller teslim edilecektir.Bir PMLSM motor için ikincil modüller, üzerine kalıcı mıknatısların monte edileceği farklı uzunluklarda çelik plakalardan oluşacaktır.Hiwin Corporation ayrıca Şekil 7'de gösterildiği gibi tam aşamaları da sağlar.
Böyle bir aşama, bir çerçeve, lineer yataklar, birincil motor, ikincil mıknatıslar, müşterinin yükünü takması için bir taşıyıcı, kodlayıcı ve bir kablo yolu içerir.Bir lineer motor aşaması, teslimat anında çalışmaya hazır olacak ve müşterinin uzmanlık gerektiren bir aşama tasarlaması ve üretmesi gerekmeyeceği için hayatı kolaylaştıracaktır.
Lineer Motor Kademe Hizmet Ömrü
Bir lineer motor kademesinin hizmet ömrü, kayış, vidalı mil veya kremayer ve pinyon ile tahrik edilen bir kademeden önemli ölçüde daha uzundur.Dolaylı olarak tahrik edilen aşamaların mekanik bileşenleri, sürekli olarak maruz kaldıkları sürtünme ve aşınma nedeniyle tipik olarak arızalanan ilk bileşenlerdir.Lineer motor aşaması, iletim ortamı hava olduğu için mekanik temas veya aşınma olmayan doğrudan bir tahriktir.Bu nedenle, lineer motor aşamasında arızalanabilecek tek bileşen lineer yataklar veya motorun kendisidir.
Radyal yük çok düşük olduğu için lineer yataklar tipik olarak çok uzun hizmet ömrüne sahiptir.Motorun hizmet ömrü, ortalama çalışma sıcaklığına bağlı olacaktır.Şekil 8, sıcaklığın bir fonksiyonu olarak motor yalıtım ömrünü göstermektedir.Kural, çalışma sıcaklığının nominal sıcaklığın üzerinde olduğu her 10 Santigrat derece için hizmet ömrünün yarıya indirilmesidir.Örneğin, F sınıfı bir motor Yalıtımı ortalama 120°C sıcaklıkta 325.000 saat çalışacaktır.
Bu nedenle, motor ihtiyatlı bir şekilde seçilirse, bir lineer motor kademesinin 50+ yıllık bir hizmet ömrüne sahip olacağı öngörülür; bu hizmet ömrü, kayış, vidalı mil veya kremayer tahrikli kademelerle asla elde edilemez.
Şekil 8
Lineer Motorlar için Uygulamalar
Lineer asenkron motorlar (LIM) çoğunlukla uzun hareket mesafesine sahip uygulamalarda ve çok yüksek hızlarla birlikte çok yüksek kuvvetin gerekli olduğu uygulamalarda kullanılır.Bir lineer endüksiyon motorunun seçilmesinin nedeni, ikincil motorun maliyetinin bir PMLSM kullanılmasına göre önemli ölçüde daha düşük olması ve çok yüksek hızda Lineer Endüksiyon motor verimliliğinin çok yüksek olması ve dolayısıyla çok az güç kaybı olmasıdır.
Örneğin, uçak gemilerinde uçakları fırlatmak için kullanılan EMALS (Elektromanyetik Fırlatma Sistemleri), lineer endüksiyon motorları kullanıyor.Bu türden ilk lineer motor sistemi, USS Gerald R. Ford uçak gemisine kuruldu.Motor, 91 metrelik bir pistte 45.000 kg'lık bir uçağı 240 km/s hızla hızlandırabilir.
Başka bir örnek lunapark gezintileri.Bu sistemlerin bazılarında bulunan lineer endüksiyon motorları, çok yüksek faydalı yükleri 0'dan 100 km/sa hıza 3 saniyede çıkarabilmektedir.Lineer asenkron motor kademeleri RTU'larda (Robot Taşıma Üniteleri) de kullanılabilir.RTU'ların çoğu kremayer ve pinyon sürücüleri kullanır, ancak lineer endüksiyon motoru daha yüksek performans, daha düşük maliyet ve çok daha uzun hizmet ömrü sunabilir.
Sabit Mıknatıslı Senkron Motorlar
PMLSM'ler tipik olarak çok daha küçük stroklara, daha düşük hızlara sahip ancak yüksekten çok yükseğe doğruluğa ve yoğun görev döngülerine sahip uygulamalarda kullanılacaktır.Bu uygulamaların çoğu AOI (Otomatik Optik Muayene), yarı iletken ve lazer makinesi endüstrilerinde bulunur.
Lineer motor tahrikli kademelerin (direkt tahrikli) seçimi, uzun ömürlü tasarımlar için dolaylı tahriklere (doğrusal hareketin dönme hareketine dönüştürülerek elde edildiği kademeler) göre önemli performans avantajları sunar ve birçok endüstri için uygundur.
Gönderim zamanı: Şubat-06-2023